менять уровень яркости сравниваемых изображений отражателя; при этом изменяются частоты модуляции, соответствующие равенству яркостей изображений. По экспериментальным данным точность фик сации разности фаз в этом способе в 2—3 раза выше, чем в компенса ционном способе экстремума.
Рассмотрим особенности измерения разности фаз в светодально мерах с фотоэлектрической регистрацией, схема которых изобра жена на рис. 138, в. (Измерение разности фаз для схемы на рис. 138, б при фотоэлектрической регистрации аналогично рассмотренной ви зуальной регистрации.) В схемах такого типа на фотокатод ФЭУ непрерывно поступает отраженный световой поток, а на его первый каскад, т. е. на промежуток фотокатод —первый эмиттер, подается опорное напряжение с ГМК. Величина фототока, протекающего
в анодной цепи ФЭУ, будет при этом находиться в линейной зависи |
мости как от светового потока, так и от напряжения |
на |
первом ка |
скаде, т. е. от их |
произведения |
|
|
|
|
/ ф = Аи0Фг- |
|
(301) |
В выражении |
(301) к — коэффициент пропорциональности, uo — |
мгновенное значение |
напряжения на первом каскаде |
и |
|
|
Ф 2 |
= . В 2 £ і ^msin (^ùt— (J - 0 5 )^ |
|
|
— световой поток, поступающий на фотокатод от отражателя. |
Если |
ио = Um sin Ш, |
(302) |
то |
|
2D |
(303) |
Тф = ШтВ2 1 то sin (^(ùt—~~ ^) sin (oof |-яга). |
При синфазном режиме работы ФЭУ относительно напряжения на модуляторе га — 0, а при противофазном режиме га = 1. Как и в ви зуальных светодальномерах, вследствие инерционности индикатор ного устройства показание индикатора будет пропорционально среднему интегральному за период Г значению фототока
о
В выражении (304) интервал интегрирования берется равным - , так как чувствительность ФЭУ отличается от нуля пропорцио нально опорному напряжению только в течение положительного полу периода, тогда как в отрицательный полупериод чувствительность
ФЭУ |
равна |
нулю. Подставив в |
(309) |
вместо |
Іф |
его |
значение |
из |
(303), |
получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
г |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
2 |
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
m sin |
со |
Sin (d)t -f- пп) dt |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
JL |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
— |
|
si1 1 |
(û>f -г гая) -f- m sin |
(cot |
~a> j sin |
(cof |
- f nn) |
\dt. |
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
После выполнения интегрирования в общем виде и подстановки |
пределов найдем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
І0 = В + |
С cos ( - ^ - со -h п п ) = ß |
± С cos |
( ^ |
со) |
, |
(305) |
в которой |
знак плюс |
соответствует синфазному |
(п |
= 0 ) , |
а |
знак |
ми |
нус — противофазному (п — 1) режимам работы ФЭУ и модулятора. Формула (305) отличается от формулы (297) — для визуального способа только значениями параметров В и С. Поэтому характер изменения среднего фототока Іо будет соответствовать показанному на рис'142, а формулы (296) и (297) будут одинаковыми как для визуальной, так и для фотоэлектрической регистрации фазы. Таким образом, при фотоэлектрической регистрации можно применять по
существу те |
же способы |
регистрации фазы, что и при визуальной, |
т. е. способ |
экстремумов |
и различные варианты нулевого способа. |
В качестве индикатора при способе экстремумов достаточно исполь зовать микроамперметр, включенный в цепь фотоумножителя. При нулевом способе стрелочный индикатор реагирует на разность сред них токов, соответствующих синфазному и противофазному режимам.
Так как время пролета электронов в ФЭУ сравнимо с периодом модулирующих колебаний и подвержено значительным изменениям, прямое фазовое детектирование высокочастотных колебаний с по мощью ФЭУ сопровождается значительными ошибками и на прак тике применяется редко. Обычно стремятся перейти от детектирова ния на высокой частоте модуляции к детектированию на низкой вспо могательной частоте, период колебаний которой значительно больше времени пролета электронов.
Широкое распространение получил парафазно-балансный метод, в котором фаза промодулированного с высокой частотой светового по тока периодически переключается на 180°. Для этого на модулятор (обычно ячейку Керра) с модуляционной характеристикой, изобра женной на рис. 143, а, подается сумма высокочастотного гармони ческого и низкочастотного прямоугольного (или трапецеидального) напряжений (см. рис. 143, б). Вследствие этого для модуляции ис
пользуется то одна, то другая ветви модуляционной |
характеристики, |
что равносильно переключению фазы модуляции |
светового потока |
на 180° (рис. 143, в). |
|
Так как опорное напряжение высокой частоты подается на пер вый эмиттер ФЭУ без переключения фазы, интегральное значение фодотока, согласно формулы (305), в один полупериод низкой ча стоты (частоты переключения фазы) будет
/0 = 5 + Ccos( - ^ - (o) .
ав другой полупериод —
І'о ~В — С cos (^~- со^ ,
t
Рис . 143
как это показано на рис. 143, г. Если путем изменения частоты моду ляции или с помощью фазовращателя изменить фазу высокочастот ного колебания так, чтобы
cos(~-co)---:0,
то значения фототоков в оба полупериода низкой частоты будут равны между собой. При этом
2D |
0 Л г , |
л |
, |
- т - с о = |
2я7Ѵ + |
т |
т. е. для установления равенства фототоков в оба полупериода низ кой частоты необходимо дополнить фазовый сдвиг высокочастотных колебаний до 90°. Для повышения точности измерений сравнение фототоков производится с помощью синхронного детектора, на кото рый одновременно с фототоком подается низкое (переключающее) напряжение.
В новых советских светодальномерах широкое распространение получил способ модуляции электронного пучка в ФЭУ с полупро зрачным катодом с помощью внешнего управляющего электрода, на который (вместо первого эмиттера) подается опорное напряжение. В таком ФЭУ фотокатод 1 (рис. 144), представляющий собой полу проводниковую пленку толщиной 0,02—0,03 мкм, нанесен на вну треннюю поверхность плоского торца стеклянного баллона и через
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
металлическое |
кольцо |
2 соединен с внешним выводом. На внешнюю |
торцевую поверхность |
баллона |
ФЭУ |
накладывается металлическая |
|
|
пластинка 3 с отверстием 4, |
через кото |
|
|
рое |
отраженный |
свет • в |
виде узкого |
|
|
пучка подается на |
фотокатод. |
Высоко |
|
|
частотное опорное напряжение |
прикла |
|
|
дывается |
к кольцевому электроду |
2 и |
|
|
плоскому |
электроду 3, |
вследствие |
чего |
|
|
менаду ними возникает переменное |
элек |
|
|
трическое |
поле, линии |
напряженности |
|
|
которого |
отмечены |
на |
рис. |
144 |
стрел |
|
|
ками. |
Фотокатод |
вследствие |
очень |
Р и с . |
144 |
большого |
сопротивления |
и |
высокой |
|
|
частоты |
|
приложенного |
напряжения в |
данном случае можно считать |
диэлектриком, который вместе со |
стеклом торца |
баллона будет только |
ослаблять |
электрическое |
поле |
между электродами 2 и 3. Описанный способ подачи опорного напря жения позволяет осуществлять фазовое детектирование в ФЭУ на
частотах вплоть до |
100 МГц. При этом могут применяться любые |
из рассмотренных |
способов детектирования, включая парафазно- |
балансный. |
|
В светодальномерах с переменной частотой модуляции экстре мальное значение средней величины светового потока или равенство двух потоков устанавливают плавным изменением частоты модуля ции. В момент наибольшей или наименьшей яркости света от отра жателя или в момент одинаковой яркости двух изображений отсчитывают соответствующую частоту. В светодальномерах с фикси рованными частотами соответствие между фазами прямого и отражен ного световых потоков при избранной частоте модуляции устанавли вают, сдвигая фазу опорного напряжения при помощи фазовраща теля. В некоторых образцах дальномеров с плавным изменением частоты имеется, кроме того, фазовращатель, которым можно сдви гать фазу опорного напряжения в небольших пределах. Если Дф — фазовый сдвиг опорного напряжения, то
откуда фазовый домер d, выраженный в единицах длины, |
будет |
d-- |
4п/ |
306) |
|
|
В этом случае при получении расстояния D вместо (296) или (297) можно применить одну из следующих формул:
Приведенные формулы можно представить в общем виде
|
|
|
|
|
|
|
D = ^r(N |
+ q) + d-±{N |
+ q) + d, |
(308) |
где |
р равно двум или четырем, a |
q равно нулю или Ѵ2 |
в зависимости |
от |
способа регистрации |
фазы; N |
обозначает число полных фазовых |
циклов, равное числу волн, укладывающихся в двойном измеряемом расстоянии при способе экстремума, или числу полуволн при нуле вом способе; d—изменение фазы опорного напряжения, выражен ное в единицах расстояния. Формула (308) идентична формуле (156), полученной при рассмотрении общей теории фазового метода измере ния расстояний. Однако величины g и d могут иметь различный смысл и быть или постоянными или переменными в зависимости от кон струкции дальномера.
При измерении расстояний вертикальную ось вращения светодальномера или отражателя устанавливают над концами измеряе мой линии. По формуле же (298) получают половину длины пути светового луча от модулятора до отражающей поверхности и обратно до демодулятора, плоскости которых, как правило, не проходят че рез оси вращения. Это обусловливает некоторую постоянную по
правку дальномера. Кроме того, в стеклянных средах |
дальномера |
и отражателя и в веществе модулятора и демодулятора |
свет распро |
страняется с меньшей скоростью, чем в атмосфере, а при |
зеркальной |
оптике путь луча удлиняется за счет отражения в передающей и при емной оптических системах. На величину поправки прибора влияет также неравенство времени возбуждения модулятора и демодуля тора после соответствующего сигнала генератора, зависящего от различия параметров электрических цепей в приемном и переда ющем устройствах и от различия параметров модулятора и демодуля тора. Наконец, различные отклонения в расположении и парамет рах отдельных конструктивных элементов дальномера также влияют на величину поправки. Общая величина, выражающая влияние всех перечисленных факторов, составляет постоянную I светодальномера. С учетом постоянной, вместо (308) будем иметь следующую формулу:
D=jr(N^g) + d+l = ±(N ;-q)i-d + l. (309)
З н а я длину электрических цепей дальномера и параметры моду лятора и демодулятора, длину пути света в различных средах и рас положение узлов и осей прибора, можно вычислить величину по стоянной. Однако вычисленная величина может оказаться неточной из-за неполного учета всех факторов. Поэтому постоянную дально мера чаще определяют путем сравнения линии известной длины с ее значением, полученным путем.многократных измерений дальномером, и вычисленной по формуле (308). В некоторых светодальномерах сравнение производят на коротком базисе (длиной несколько метров) с использованием специального устройства (юстировочной скамьи или калибровочной насадки). Порядок и способ определения по
стоянной зависят |
от конструкции и точности свето дальномера. |
Для уменьшения влияния непостоянства величины I на резуль |
таты |
измерений |
в некоторых светодальномерах |
тракты, |
соединя |
ющие |
генератор |
с модулятором и демодулятором, |
делают |
одинако |
выми. |
Возникающие дополнительные фазовые сдвиги в этих |
трактах |
исключаются в среднем из измерений при замене функций модуля
тора и демодулятора. Ошибка за изменение |
постоянной |
исключается |
также в совмещенных схемах, например |
в рассмотренной ранее |
схеме Г. А. Фельдмана. Для этой же цели в некоторых |
светодально |
мерах имеется специальная «оптическая линия задержки», известная длина которой определяется светодальномером непосредственно перед определением измеряемого расстояния или сразу после него. Длину оптической линии do подбирают такой, чтобы при любой рабочей частоте дальномера число N при измерении длины этой линии было бы равно нулю, а сдвиг фазы опорного напряжения Дг|) был бы одинаковым как для оптической линии, так и'для измеряемого рас стояния D.
Тогда |
|
|
|
D--j(N |
+ q)-\-d |
+ |
l1-i-lt |
d0 |
J Ч-r-d |
: Л |
j |
откуда |
|
|
|
I) |
-|-.-Y |
d0~L. |
В написанных выражениях через Іг обозначена слагающая по стоянной за счет неравенства времени возбуждения модулятора и демо дулятора, а через 12 — слагающая за счет разности оптической длины пути света и длины, измеряемой линии. Оптическая линия может состоять из металлических трубок, образующих ряд секций, в кото рые направляется свет из передающей части дальномера при по мощи призм, расстояние между которыми известно. Длина пути света может изменяться как изменением числа секций, так и при помощи передвижных призм в одной из секций.
